CC BY
53
В.П. Мязин,
Г.Ю. Попова
Читинский государственный технический университет
СООРУЖЕНИЕ ПРОТИВОФИЛЬТРАЦИОННЫХ ЭКРАНОВ НА ОСНОВЕ ГЛИНИСТО-ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИИ, ВЫДЕЛЕННЫХ из отхоиов ПРОМЫВКИ ГЛИНИСТЫХ МЕТАЛЛОНОСНЫХ ПЕСКОВ
Одной из важнейших проблем в горном деле при строительстве природоохранных гидротехнических сооружений является предотвращение фильтрации через тело дамбы, ложе хвостохранилищ, технологические перемычки и полигоны складирования отходов, особенно содержащих токсичные соединения.
В развитых горнорудных регионах Российской Федерации, к числу которых относится Забайкалье, все более интенсивно вовлекаются в разработку техногенные месторождения. Анализ систем гидротехнических сооружений (ГТС) показывает, что они не удовлетворяют требованиям экологической безопасности из-за фильтрационных потерь жидких сред. В связи с этим резко возрастает нагрузка на легкоранимую экосистему Забайкалья, особенно на прилегающие к горным работам водотоки. В фильтрационных массопотоках содержится большое количество загрязняющих примесей в виде взвешенных частиц, нефтепродуктов, ионов тяжелых металлов, органических и коллоидных примесей различных минералов. Даже создание замкнутых систем водоснабжения при ведении горных работ не решает проблему защиты природных водотоков и подземных вод от загрязнения из-за низкой надежности слагающих элементов системы [1]. Это прежде всего отстойные сооружения, хвостохранилища, дамбы обвалования, плотины, технологиче-
ские прудки, руслоотводы, нагорные канавы и др. Поэтому повышение экологической безопасности строящихся ГТС на объектах россыпной и рудной металлодобычи за счет разработки новых технических решений, исключающих фильтрацию технологических и сточных вод, приобретает особую значимость. Следует отмстить, что эта проблема также остро стоит и при строительстве полигонов для хранения токсичных отходов, создании площадок, карт и накопителей для захоронения и хранения промышленных и бытовых отходов.
Воспользуемся методом системного анализа при рассмотрении известных технических решений создания противофильт-рационных экранов в природоохранных и гидротехнических сооружениях. Для анализа привлечен банк технических решений, зафиксированных в технологии ведения горных работ, при строительстве площадок для захоронения отходов, а также используемые на стадии проектных работ (СНиП 2.01.28-85). В табл.1 сгруппированы наиболее характерные типы и конструкции экранов, используемых для противофильтраци-онной защиты ГТС. Однако ввиду больших капитальных затрат большинство из них являются малоприемлемыми к использованию в горнодобывающей промышленности. Другие, например, грунтовые противо-фильтрационные экраны, в меньшей степени подвержены вышеуказанному недостат-
ку, однако достигнутый уровень снижения день не удовлетворяет требованиям эколо-
коэффициента фильтрации на сегодняшний гической надежности и безопасности ГТС.
Таблица 1
Противофильтрационные экраны, используемые в технологии горных работ (+) и прн сооружении полигонов для хранения промышленных (+) и токсичных отходов (++)
Типы и конструкции экранов
Г- —^
!—■—
1 г,
А. Г рун говме:
I. Глиняный однослойный
1 - защитный слой из галечно-эфельнго и супесчаного фунта
2 - глинистая фракция опреде ленным слоем
3 - спланированное и уплотненное основание
Применение экранов
При ведении горных работ________
+
При захоронении отходов
+
тшщщт
II. Глиняный двухслойный с дренажной прослойкой
1 - защитный слой из галечно-эфельного и супесчаного грунта
2 - глинистая фракцмя определенным слоем
3 - слой песка
4 - спланированное и уплотненное основание
Г *11'
у
/
N
III. Грунтобнтумно-бетонный
1 - грунт определенного слоя (суглинок, супесь, песок): обработанный нефтью или горячим битумом и цементом
2 - спланированное и уплотненное основание
++
/
Б. Бетонные и железобетонные
IV. Из железобетонных плит
1 - сборные железобетонные плиты из тяжелого бетона
2 - песок или гравийно-песчаная смесь
3 - спланированное и уплотненное основание
+
V. Из полимербетона
1 - полимербетон армированный слоем
2 - бетон
3 - песок или гравийно-песчаная смесь определенным слоем
4 - спланированное и уплотненное основание
+
>ушж утжштш
+ (++)
+ (++>
VI. Бетонопленочный
1 - сборные железобетонные плиты из тяжелого бетона
2 - полиэтиленовая пленка в один-два слоя, стабилизированная сажей, сверху прикрытая крафг-бумагой
3 - песок фракции не более 3 мм
4 - спланированное и уплотненное основание
В. Асфальтобетонные
VII. Однослойный с битумным покрытием
1 - покрытие горячим битумом определенного слоя
2 - мелкозернистый асфальтобетон определенного слоя
3 - грунтобитумный бетон_____________
VIII. Двухслойный с дренажной прослойкой
1 - покрытие горячим битумом, с защитным слоем песка
2 - мелкозернистый асфальтобетон определенного слоя
3 - гравий определенным слоем, обработанный битумом
4 - обработанный битумом и цементом
IX. С покрытием битумно-латексной эмульсией
1 - защитный слой песка или суглинка
2 - битумно-латексная эмульсия определенным слоем
3 - мелкозернистый асфальтобетонный слой
4 - грунтобитумный бетон_____________
Г. Асфальтополимербетонные;
X. Конструктивно асфальтополимербетонные выполняются также, как асфальтобетонные. Различие заключается в том, что асфальтополимербетонные экраны выполняются на вяжущем из битума, а асфальтополимербетонные -на модифицированном вяжущем, состоящем из битума с добавлением в него каучука или других полимеров в количестве 10-20% массы битума, что придает им повышенную морозостойкость, эластичность и снижает водонепроницаемость
ІІІІІІІІР
1 2
Д. Пленочные
XI. Из полиэтиленовой пленки, стабилизированной сажей, однослойный
1 - защитный слой и* мелкозернистого грунта фракцией не более 3 мм (пески, супеси, суглинок)
2 - пленка
3 - подготовка из материала, применяемого для защитного слоя
4 - спланированное основание (заложение откосов не круче 1;3,5)
XII. Из полиэтиленовой пленки, стабилизированной сажей, двухслойный с дренажной прослойкой
1 - защитный слой
2 - пленка
3 - песок определенным слоем
4 - подготовка из материала, применяемого для защитного слоя
5 - спланированное и протравленное основание (заложение откосов не круче 1;3,5)
+
+
+
/2
£. С применением водорастворимых полимеров
XIII. Из сухого кольматанта
1 - покрытие в виде сухого кольматанта
2 - глинистая фракция определенным слоем
3 - слой из песчано-эфельных пород
4 - спланированное основание
+
XIV. Из сухого кольматанта с слоем
1 - защитный слой из песчано-грунта
2 - слой сухого кольматанта
3 - галечно-эфельная фракция
4 - спланированное основание
защитным
эфельного
-I-
В последнее время направленные методы физико-химического предотвращения фильтрации (например, пленочное экранирование, закладка глинистого зуба в теле плотины, химическая кольматация водорастворимыми полимерами) получают все большее распространение. Но для всех них прослеживается характерный недостаток -высокие эксплуатационные затраты, а в условиях низких температур, например, метод пленочного экранирования не позволяет
достичь надежных результатов, так как наблюдается разрыв пленки, уложенной в теле экрана, а следовательно, ориентироваться на полное исключение фильтрации таким образом не удается. Сооружение глинистого зуба в теле плотины также не исключает вышеуказанные недостатки, связанные с большими эксплуатационными затратами. Применение в качестве противофильтраци-онного экрана водорастворимых полиме-ров-кольматантов представляется весьма
эффективным [2], но при этом возникает множество проблем, связанных с оптимизацией режимов дозирования полиэлектролитов, используемых для противофильграцн-онного экранирования поверхности грунтов. При использовании режимов сухого дозирования кольматанта наблюдается значительный его расход - 200-600 г/м2 экранируемой поверхности. Причем при этом способе нанесения кольматанта он не полностью сорбируется на поверхности и часть его выносится с грунтовыми и поверхностными водами в прилегающие водотоки, принося дополнительное загрязнение последних.
В случае использования в технологическом процессе заранее приготовленного рабочего раствора кольматанта эффективность его применения резко возрастает, однако процесс сцепления минеральных частиц происходит только на границе контакта “твердое-рабочий раствор кольматанта”. Силы сцепления частиц, обеспечивающих прочность поверхностного каркаса, обусловлены эффективностью взаимодействия кольматанта с экранируемой поверхностью частиц. Поэтому, несмотря на присыпку сформированного экрана защитным слоем грунта, он постепенно разрушается иод действием напора водного столба транспортируемого массопотока.
Системный анализ выполненных работ по физико-химии кольматантов и конструктивным особенностям противофильт-рационных экранов с использованием банка патентной документации позволил сформулировать новое направление дальнейших работ с позиции повышения экологической надежности и безопасности ГТС путем применения композиционных материалов на основе “глина-водорастворимый полимер-вода”. В последнее время это перспективное направление работ получило все большее развитие на кафедре “Обогащение полезных ископаемых и вторичного сырья” Читинского государственного технического
университета, под руководством чл.-корр. ЛЕИ РФ, профессора Мязина В II. Характерно, что в качестве глинистой фракции композиционного материала используются утилизируемые взвешенные илистоглинистые частицы из массопогоков сточных технологических вод, образуемых при промывке металлоносных песков.
Основная научная идея работы, заложенная авторами, состоит в регулировании свойств композиционных материалов в системе “глина-полимер-вода” путем направленного управления силами сцепления минеральных частиц. Таким образом удается создать композиты определенной прочности, в которых “сшивка" полимеров и наполнителя из глинистых частиц с большой удельной поверхностью происходит по всему объему экрана. При этом толщина наносимого слоя из композиционного материала определяется прочностью сил сцепления глинистых частиц между собой через мостичные связи, создаваемые кольматан-том.
Теоретические основы физикохимического управления свойствами композиционного материала базируются на известных методах флокуляции минеральных частиц и оценке сил сцепления частиц в сформированном осадке [3,4]. Толщина слоя композиционного материала, рекомендуемого для укладки на экранируемую поверхность грунта, определяется прочностью сформированного осадка с учетом напора водяного столба и коэффициента фильтрации горных пород, слагающих ГТС.
По результатам выполненных лабораторных и промышленных испытаний установлено [5], что укладка данной композиции толщиной 20-30 см на экранируемую поверхность позволяет полностью исключить фильтрацию через тело дамб и ложе отстойных сооружений. Причем оптимальный расход полимера-кольматанта определяется содержанием и минеральным составом в гидросмеси, а численное значение сил
сцепления глинистых частиц с дозируемым кольматантом в первую очередь зависит от разновидности состава водорастворимого полимера и режимов его дозирования. Па основании выявленных режимов экранирования поверхности композиционными материалами разработаны поточные технологические схемы нанесения осадка из отходов промывки металлоносных песков и технические средства для их реализации.
Подача приготовленной глинистой суслекэии
Рис.1. Структурная технологическая схема по
созданию противофильтрационного экрана из композиционных материалов Методология построения технологических схем экранирования поверхности ГТС включает в себя следующие операции (рис. 1); Рассмотрим каждую операцию в отдельности и технические средства, используемые для их реализации:
1. Подача сточных вод (глинистой суспензии) в смеситель осуществляется через трубный водослив с регулируемой задвижкой (0).
2. Полученный рабочий раствор кольматанта заданного процентного содержания на станции приготовления [6] направляется в смеситель через специальный дозатор.
3. В смесителе-хлопьеобразователе
происходит смешение рабочего раствора кольматанта с глинистой гидросмесью и образование флокул (агрегатов из отдельно связанных глинистых частиц). Рекомендуемые патентнозащищенные конструкции хлопьеобразователей приведены в [6].
4. Выделение и складирование осадка предусматривается за счет использования сил гравитации (отстойные сооружения и тонкослойные сгустители) на спланированное и уплотненное основание площадки (полигона).
5. Осветленная вода с помощью насосной станции оборотного водоснабжения направляется в оборот.
6. Транспортирование осадка осуществляется с помощью специально выпускаемых или принятых землеройных транспортных машин. Вид горной техники в первую очередь определяется принятой технологией транспортирования композиционного осадка к месту его укладки на экранируемую поверхность.
7. Способы нанесения композиционного осадка существенно зависят от его фи-зико-химических свойств. В зависимости от влажности сфлокулированного композиционного материала он может подаваться на экранируемую поверхность сразу же после флокуляции с помощью землесосноукладочного транспорта, содержащего землесосную установку с трубопроводом, последовательно соединенного с гидромонитором. В настоящее время разработаны поточные технологические линии, позволяющие наносить сфлокулированный осадок по мере его получения. Учитывая недостатки, обусловленные высокой влажностью сформированных композиционных материалов, нами впервые был разработан более технологичный патентноспособный прием обращения с осадком. Сущность предложенного способа модифицирования свойств сфлокулированного осадка заключалась в предварительном его промораживании в условиях
низких температур, а затем по мере начального периода таяния грунтов послойной срезки ленты и укладки ее на выравненную поверхность полигона или на борта дамб обвалования отстойных сооружений. После направленной укладки промороженного композиционного материала его дополнительно подвергают уплотнению с помощью землеройной техники. Технология направленного модифицирования свойств глинисто-полимерного материала была впервые апробирована в промышленных условиях на месторождении “Джармагатай" старательской артели “Горняк" при сооружении про-тивофильтрационного экрана в трех отстойных сооружениях, размещенных ниже горных работ. По данным наблюдений и контрольным скважинам, пробуренным ниже очистных отстойников, было зафиксировано полное прекращение фильтрации в прилегающие природные водотоки.
Полученные положительные результаты, доведенные до инженерно-технической общественности через НТД Читинским отраслевым центром информации, послужили основой для расширения области внедрения противефильтрационно-го экранирования водоудерживающих дамб на месторождении “Спорный” А/с “Саяны”. Нижнее отстойное сооружение, закольма-тированное глинисто-полимерной композицией при рекультивации земель, нарушенных горными работами, было рекомендовано в качестве пруда рыбохозяйственного назначения. По данным Байкальского института экологической токсикологии, проводившей исследования проб воды после физико-химического кондиционирования с использованием биотестирования на дафниях, установлено, что остаточное содержание в композиционных материалах полимера (полиакриламида) экологически безопас-
но для жизнедеятельности биологических организмов. Па дамбах, экранированных предложенными композиционными материалами, интенсивно произрастают практически все виды травянистых растений, характерных для данной местности.
На основании проведенных исследований было сделано заключение, что данная технология противофилырационной защиты гидротехнических сооружений с использованием в качестве экрана композиции на основе хвостов промывки металлоносных песков экологически безопасна и надежна. В результате ее применения решается не только задача предотвращения загрязнения прилегающих природных водотоков, но и утилизации отходов, образуемых в результате промывки песков.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Мязин В.П. Повышение экологической надежности систем оборотного водоснабжения при разработке глинистых россыпных месторожде-ний//Тезисы докладов международной конференции “Экологически чистые технологические процессы в решении проблемы охраны окружающей среды”. Иркутск, 1996. Том 2, часть 1. 163 с.
2. Использование растворимых полимеров при добыче и переработке минерального сырья. Обзор информации ЦНИИ Цветметэкономики и информации / Карасев К.И., Мязин В.П., Гальперин
В.Г. М., вып. 1. 1990.
3. Небера В.П. Флокуляция минеральных суспензий М.: Недра, 1983. 288 с.
4. Ульев Н.Б. Физико-химическая механика в технологии дисперсных систем. М.: Знание 1975. 60 с.
5. Попова Г.Ю. Сравнительная оценка эффективности применения в качестве кольматантов для защиты гидротехнических сооружений водорастворимых полимеров. Очистка воды и стоков: Меж-вуз.сб. науч.тр.НИИ высоких напряжений.- Томск, 1994.
6. Мязин В.П. Повышение эффективности переработки глинистых золотосодержащих песков. Учебное пособие, часть II. ЧитГТУ, Чита, 1996.
© В.П. Мязин, Г.Ю.Попова
